DE102017216536B4 - Method for compensating for disturbances in a measured angle signal of a magnetic angle sensor of an electrical machine and a correspondingly designed microcontroller, an electrical machine, and a computer program product - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Kompensation von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors (12) einer elektrischen Maschine (10), wobei das Verfahren aufweist:- Empfangen eines gemessenen Winkelsignals,- Abschätzen eines Stromfehlers und/oder eines Versatzfehlers des gemessenen Winkelsignals, wobei zum Abschätzen des Stromfehlers und/oder des Versatzfehlers das gemessene Winkelsignal, welches mindestens zwei Komponenten umfasst, an ein in einem Mikrocontroller hinterlegtes Berechnungsprogramm übergeben wird,- Berechnen eines zu erwartenden Rotorwinkels aus dem gemessenen Winkelsignal unter Berücksichtigung des abgeschätzten Stromfehlers und/oder des abgeschätzten Versatzfehlers, während des Betriebes der elektrischen Maschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass zum Berechnen eines zu erwartenden Rotorwinkels ferner ein Amplitudenfehler und/oder ein Offsetfehler berücksichtigt wird, insbesondere dem Berechnungsprogramm übergeben wird.Method for compensating for disturbances in a measured angle signal of a magnetic angle sensor (12) of an electrical machine (10), the method having: - receiving a measured angle signal, - estimating a current error and/or an offset error of the measured angle signal, estimating the current error and/or the offset error, the measured angle signal, which comprises at least two components, is transferred to a calculation program stored in a microcontroller,- calculating a rotor angle to be expected from the measured angle signal, taking into account the estimated current error and/or the estimated offset error, during operation the electrical machine (10), characterized in that an amplitude error and/or an offset error is also taken into account to calculate a rotor angle to be expected, in particular is transferred to the calculation program.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors einer elektrischen Maschine, einen Mikrokontroller zur Berechnung von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors einer elektrischen Maschine sowie eine entsprechende ausgebildete elektrische Maschine.The present invention relates to a method for compensating for disturbances in a measured angle signal of a magnetic angle sensor of an electrical machine, a microcontroller for calculating disturbances in a measured angle signal of a magnetic angle sensor of an electrical machine, and a correspondingly designed electrical machine.
Zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine ist die Kenntnis der Rotorwinkelposition notwendig. Hierzu werden oftmals induktive Winkelsensoren oder Reluktanz-Resolver verwendet. Induktive Winkelsensoren und Reluktankz-Resolver sind jedoch kostenintensiv.In order to control an electrical machine, the angular position of the rotor must be known. Inductive angle sensors or reluctance resolvers are often used for this. However, inductive angle sensors and reluctance resolvers are expensive.
Die Verwendung magnetischer Winkelsensoren hingegen ist kostengünstig und zudem genau. Ein magnetischer Winkelsensor umfasst ein sogenanntes integriertes Kreuzhall-Element. Dieses Kreuzhall-Element generiert eine elektrische Kenngröße in Relation zur Flussrichtung eines angelegten äußeren Magnetfeldes. Durch Veränderung eines Magnetfeldes, welches auf das Kreuzhall-Element wirkt, wie beispielsweise bei einer Rotation eines Magnetfeldes eines Permanentmagneten um die Mittelachse des Sensor-Elementes, werden zwei um 90° phasenverschobene Sinus- bzw. Cosinuskurven generiert, anhand derer der Rotationswinkel als absolute Größe detektiert werden kann. Eine in dem magnetischen Winkelsensor integrierte Auswerteelektronik wandelt diese gemessenen Sinus- bzw. Cosinuskurvensignale in ein lineares Spannungs- oder Stromsignal um. Durch das absolute Messprinzip kann auch nach Stromunterbrüchen der richtige Drehwinkel ausgegeben werden. Allerdings sind magnetische Winkelsensoren empfindlich gegenüber magnetischen Störfeldern, welche beispielsweise durch stromführende Leiter und/oder durch Permanentmagnete in elektrischen Maschinen auftreten. Bei Verwendung magnetischer Winkelsensoren in elektrischen Maschinen bedarf es daher Verfahren zur Kompensation magnetischer Störfelder.The use of magnetic angle sensors, on the other hand, is inexpensive and also accurate. A magnetic angle sensor includes what is known as an integrated cross-hall element. This cross-hall element generates an electrical parameter in relation to the flow direction of an applied external magnetic field. By changing a magnetic field that acts on the cross Hall element, such as when rotating a magnetic field of a permanent magnet around the central axis of the sensor element, two 90° phase-shifted sine or cosine curves are generated, based on which the rotation angle is calculated as an absolute value can be detected. Evaluation electronics integrated in the magnetic angle sensor convert these measured sine or cosine curve signals into a linear voltage or current signal. Due to the absolute measuring principle, the correct angle of rotation can be output even after a power failure. However, magnetic angle sensors are sensitive to magnetic interference fields, which occur, for example, due to current-carrying conductors and/or due to permanent magnets in electrical machines. When using magnetic angle sensors in electrical machines, methods for compensating for magnetic interference fields are therefore required.
Aus der
In der
Die
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Kompensation von Störfeldern bereitzustellen sowie einen entsprechend ausgebildeten Mikrokontroller und eine entsprechend ausgebildete elektrische Maschine bereitzustellen, mit dem bzw. mit der das Verfahren zur Kompensation von Störfeldern ausführbar ist.It is an object of the present invention to provide a method for compensating for interference fields and to provide a correspondingly designed microcontroller and a correspondingly configured electrical machine with which the method for compensating for interference fields can be carried out.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Kompensation von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1 und durch einen Mikrokontroller zur Berechnung von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors einer elektrischen Maschine nach Anspruch 10. Ferner wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit einem magnetischen Winkelsensor und einem solchen Mikrokontroller nach Anspruch 11 und durch ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 12, welches das Verfahren ausführen kann.This object is achieved by a method for compensating for interference in a measured angle signal of a magnetic angle sensor of an electrical machine according to
Gemäß der vorliegenden Erfindung wir folglich ein Verfahren zur Kompensation von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- - Empfangen eines gemessenen Winkelsignals,
- - Abschätzen eines Stromfehlers und/oder eines Versatzfehlers des gemessenen Winkelsignals,
- - Berechnen eines zu erwartenden Rotorwinkels aus dem gemessenen Winkelsignal unter Berücksichtigung des abgeschätzten Stromfehlers und/oder des abgeschätzten Versatzfehlers, insbesondere während des Betriebes der elektrischen Maschine.
- - receiving a measured angle signal,
- - estimating a current error and/or an offset error of the measured angle signal,
- - Calculating a rotor angle to be expected from the measured angle signal, taking into account the estimated current error and/or the estimated offset error, in particular during operation of the electrical machine.
Vorschlagsgemäß wird mittels eines magnetischen Winkelsensors ein sich veränderndes Magnetfeld gemessen. Durch eine Rotation eines Rotors in einer elektrischen Maschine, an welchem ein Permanentmagnet angeordnet ist, kann beispielsweise ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld in dem Winkelsensor erzeugt bzw. eine richtungsabhängige sich verändernde Magnetisierung in dem Winkelsensor erfasst werden. Bevorzugt weist der magnetische Winkelsensor zwei Wheatstone-Brücken, insbesondere in einem Winkel von 45° Grad zueinander, auf, so dass der Winkelsensor zwei Spannungssignale gemäß den Gleichungen (1) und (2) misst:
Ein Winkelsensor macht sich den sogenannten magnetoresistiven Effekt, wie er beispielsweise in der Legierung Permalloy auftritt, zunutze. Bei diesem Effekt ändert sich der Widerstand in Abhängigkeit der Richtung des sich verändernden, induzierten Magnetfeldes. Das gemessene Sensorsignal kann jedoch aufgrund von Stromstörungen oder aufgrund einer nicht exakten Anordnung des Permanentmagneten an einem Rotorende einen Stromfehler und/oder einen Versatzfehler aufweisen. Bei einem Stromfehler sind die gemessenen Phasenströme selbst sind in der Regel nicht fehlerbehaftet. Jedoch verursacht das Magnetfeld, das durch die Phasenströme verursacht wird, einen Fehler im Sensor, welcher mit dem vorgeschlagenen Verfahren kompensiert wird. Generell kann das Sensorsignal durch verschiedene Fehler gestört sein, wodurch die Amplituden Asin, Acos des zwei Komponenten-Sensorsignals unterschiedlich sein können, nämlich:
Beide Signale können beispielsweise einen Offsetfehler Osin, Ocos aufweisen:
Ferner können beide Signale beispielsweise einen Versatzfehler ε aufweisen, wenn der Sensor nicht zentriert an dem Rotor der elektrischen Maschine angeordnet ist:
Wenn elektrische Ströme im Rotor fließen, kann ferner das gemessene magnetische Feld, welches vom Sensor gemessen wird, gestört sein. Das Sensorsignal, welches alle möglichen Fehler umfasst, ist dann gegeben durch:
Vorschlagsgemäß werden neben anderen Fehlern vor Allem der Stromfehler und/oder der Versatzfehler in dem vorgeschlagenen Verfahren berücksichtigt, indem eine Größe eines oder beider dieser Fehler abgeschätzt wird und das gemessene Winkelsignal um einen solchen Fehler korrigiert wird. Nach einer Korrektur des gemessenen Winkelsignals um einen solchen Fehler kann ein zu erwartender, tatsächlicher, Rotorwinkel aus dem gemessenen Winkelsignal berechnet werden. Eine solche Berechnung des zu erwartenden Winkelsignals unter Berücksichtigung des abgeschätzten Stromfehlers und/oder des abgeschätzten Versatzfehlers kann während des Betriebes der elektrischen Maschine durchgeführt werden. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren, welches der Funktionsweise eines digitalen Filters entspricht, kann folglich eine tatsächliche Rotorwinkelposition ermittelt werden. Digitale Filter werden in der Regelungstechnik zur Manipulation eines Signales eingesetzt. Anders als für analoge Filter werden für einen digitalen Filter keine elektronischen Bauelemente sondern Logikbausteine eingesetzt. Zudem verarbeitet ein digitaler Filter zeit- und wertdiskrete Signale, wie diese beispielsweise von einem magnetischen Winkelsensor erfasst werden. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist dabei bevorzugt der Fehler der Rotorwinkelposition bei einer Geschwindigkeit von beispielsweise bis zu 18000 rpm kleiner oder gleich 1° Grad. Ferner kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors bestimmt werden. So kann beispielsweise während einer konstanten Beschleunigung oder Bremsung um bis zu 30000 rpm/s der Fehler der Winkelgeschwindigkeit kleiner oder gleich 10 rpm sein. In vorteilhafter Weise kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren ein Messfehler um bis zu 20% kompensiert werden, so dass ein tatsächlicher, zu erwartender Rotorwinkel mit dem vorgeschlagenen Verfahren bestimmbar ist. Bei den Messfehlern kann es sich dabei neben den erwähnten Stromfehler und/oder Versatzfehler ferner um einen Offsetfehler handeln. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann beispielsweise ein Versatzfehler, welcher durch eine radiale Fehlausrichtung von bis zu 1 mm und einer axialen Fehlausrichtung von bis zu 5 mm des Permanentmagneten am Rotor zu Stande kommt, kompensiert werden. Ferner kann ein Stromfehler um bis zu 400A kompensiert werden. Zudem ist das vorgeschlagene Verfahren schnell durchführbar, insbesondere mit einer Meßzeit von 100 µs pro Messung.According to the proposal, the current error and/or the offset error are taken into account in the proposed method, in addition to other errors, by estimating a size of one or both of these errors and correcting the measured angle signal by such an error. After the measured angle signal has been corrected for such an error, an actual rotor angle to be expected can be calculated from the measured angle signal. Such a calculation of the angle signal to be expected, taking into account the estimated current error and/or the estimated offset error, can be carried out during operation of the electrical machine. With the proposed method, which corresponds to the functioning of a digital filter, an actual angular position of the rotor can consequently be determined. Digital filters are used in control engineering to manipulate a signal. In contrast to analog filters, no electronic components are used for a digital filter but logic components. In addition, a digital filter processes signals that are discrete in terms of time and value, such as those recorded by a magnetic angle sensor. With the proposed method, the error in the angular position of the rotor at a speed of, for example, up to 18000 rpm is preferably less than or equal to 1° degree. Furthermore, an angular velocity of the rotor can be determined with the proposed method. For example, during constant acceleration or deceleration of up to 30000 rpm/s, the angular velocity error can be less than or equal to 10 rpm. A measurement error of up to 20% can advantageously be compensated for with the proposed method, so that an actual, expected rotor angle can be determined with the proposed method. In addition to the current errors and/or displacement errors mentioned, the measurement errors can also be an offset error. The proposed method can be used, for example, to compensate for an offset error that is caused by a radial misalignment of up to 1 mm and an axial misalignment of up to 5 mm of the permanent magnet on the rotor. Furthermore, a current error can be compensated by up to 400A. In addition, the proposed method can be carried out quickly, in particular with a measurement time of 100 μs per measurement.
Erfindungsgemäß wird zum Abschätzen des Stromfehlers und/oder des Versatzfehlers das gemessene Winkelsignal, welches mindestens zwei Komponenten umfasst, an ein in einem Mikrocontroller hinterlegtes Berechnungsprogramm übergeben.According to the invention, the measured angle signal, which comprises at least two components, is transferred to a calculation program stored in a microcontroller in order to estimate the current error and/or the offset error.
Bei dem Berechnungsprogram handelt es sich um eine Software, welche Gleichungssysteme, d.h. Matrizen, lösen kann. Ein Ziel des beschriebenen Verfahrens ist, den Rotorpositionswinkel durch Auswertung des gemessenen Winkelsensorsignals abzuschätzen bzw. zu berechnen. Bei dem verwendeten Berechnungsprogramm werden bevorzugt keine Annahmen zu einer Masse, insbesondere eines Autors oder eines Antriebstranges eines Autos, oder ein Einfluss eines Stromes auf die Bewegung des Rotors gemacht. Stattdessen wird angenommen, dass dem Rotor eine Winkelbeschleunigung, eine Winkelgeschwindigkeit und einen Winkel, also ein Zustand
Hierbei ist E, der Zustand des Systems und A die zugehörige Zustandsmatrix. Mit der Variablen τ wird die unbekannte Veränderung der Winkelbeschleunigung bezeichnet. Für einen Beobachter wir τ =0 angenommen. Um eine Struktur des Beobachters zu erhalten, muss ein abgeschätzter Winkel α̃ einem gemessenen Winkelsignal zugeordnet werden können. Ein Unterschied zwischen einem abgeschätzten Winkel α̃ und einem gemessenen Winkelsignal α kann dann durch folgende Gleichungen beschrieben werden:
Die Differenz α - α̃ kann durch die Differenz ϑ - ϑ̃ ausgedrückt werden, so dass das Sensorsignalsystem durch
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Berechnungsprogram ein Modell, mit welchem ein mittels des empfangenen Winkelsignals erfasster Rotorzustand umfassend einen Winkel und eine Winkelgeschwindigkeit und eine Winkelbeschleunigung unter Berücksichtigung verschiedener Fehler des Winkelsignals umfassend einen Amplitudenfehler und/oder einen Offsetfehler und/oder den Versatzfehler und/oder den Stromfehler auf einen aktuellen tatsächlichen Rotorzustand abgebildet wird.According to a preferred embodiment of the method, the calculation program includes a model with which a rotor state detected by means of the received angle signal comprising an angle and an angular velocity and an angular acceleration, taking into account various errors in the angle signal comprising an amplitude error and/or an offset error and/or the displacement error and /or the current error is mapped to a current actual rotor state.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren können somit unterschiedliche Fehler berücksichtigt werden, bzw. das gemessene Winkelsignal kann aufgrund unterschiedlicher Fehler korrigiert werden. Das Korrigieren beinhaltet bevorzugt addieren oder subtrahieren eines Schätzwertes von einem gemessenen Wert. Es kann ferner ein Multiplizieren oder Dividieren oder eine Ausführung einer Verkettung der Grundrechenregeln umfassen.Different errors can thus be taken into account in the proposed method, or the measured angle signal can be corrected on the basis of different errors. The correction preferably includes adding or subtracting an estimated value from a measured value. It can also include multiplying or dividing or executing a concatenation of the basic arithmetic rules.
Bevorzugt wird die Verwendung eines Modells in Bezug auf den Stromfehler und/oder den Versatzfehler angewendet. Vorliegend hat sich gezeigt, dass eine Berücksichtigung eines Stromfehlers und/oder eines Versatzfehlers in dem Modell zur Berechnung eines zu erwartenden Rotorwinkels zu zutreffenden Werten des Rotorwinkels führt.Preferably the use of a model related to the current error and/or the offset error is applied. It has been shown here that taking into account a current error and/or an offset error in the model for calculating a rotor angle to be expected leads to correct values for the rotor angle.
Ein Versatzfehler ist vorliegend definiert als ein radialer Versatz und/oder ein axialer Versatz des Permanentmagneten gegenüber eine Axialachse des Rotors der elektrischen Maschine. Ein solcher radialer Versatz kann beispielsweise radial bis zu 2mm betragen. Ein axialer Versatz kann beispielsweise bis zu 5mm betragen. Derartige radial und/oder axiale Versatzfehler können mit dem vorgeschlagenen Verfahren berücksichtiget werden. Ein Stromfehler ist gegeben durch die gewöhnlichen Unsicherheiten bzw. kurzzeitigen Stromunterbrechungen in einem elektrischen System. Ein Stromfehler bis zu 400A kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren berücksichtigt werden.An offset error is defined here as a radial offset and/or an axial offset of the permanent magnet relative to an axial axis of the rotor of the electrical machine. Such a radial offset can be up to 2 mm radially, for example. An axial offset can be up to 5mm, for example. Such radial and/or axial offset errors can be taken into account with the proposed method. A power fault is one of the usual uncertainties or momentary power interruptions in an electrical system. A current error of up to 400A can be taken into account with the proposed method.
Bevorzugt wird/werden der abgeschätzte Stromfehler und/oder der abgeschätzte Versatzfehler zum Abschätzen eines Rotorwinkelfehlers durch Bestimmen einer Differenz aus einem gemessenen Rotorwinkel minus einem geschätzten Rotorwinkel verwendet.Preferably, the estimated current error and/or the estimated offset error is/are used to estimate a rotor angle error by determining a difference of a measured rotor angle minus an estimated rotor angle.
Der Stromfehler und/oder der abgeschätzte Versatzfehler können berücksichtigt werden, indem von dem gemessenen Rotorwinkel ein geschätzter Rotorwinkel abgezogen wird. Es wird also angenommen, dass der gemessene Rotorwinkel zu groß ausfällt aufgrund des mitgemessenen Stromfehlers und/oder des Versatzfehlers. Es ist ferner denkbar, dass statt einer Subtraktion eine Addition der Werte durchgeführt wird.The current error and/or the estimated offset error can be taken into account by subtracting an estimated rotor angle from the measured rotor angle. It is therefore assumed that the measured rotor angle turns out to be too large due to the current error and/or the offset error measured at the same time. It is also conceivable for the values to be added instead of subtracted.
Die Abschätzung eines Stromfehlers kann beispielsweise durch folgende Gleichung abgeschätzt werden. Unter der Annahme, dass die Fehler in den Komponenten xI und yI durch die Phasenströme I1,I2,I3 verursacht sind und sich einfach addieren, können die Komponenten xI und yI geschrieben werden als:
Der Winkel aI ist ist ein Winkel zwischen dem Punkt
Eine Verdopplung des Winkels aI kann geschrieben werden als
Der Einfluss der Fehler xI und xI in Bezug auf die gemessenen Sensorsignale Usin und Ucos kann in folgenden Bezug gesetzt werden:
Die Abschätzung eines Versatzfehlers kann beispielsweise durch folgende Annahmen abgeschätzt werden. Ein Versatzfehler wird erzeugt durch eine Fehlausrichtung zwischen dem Permanentmagneten und dem Sensor. Das Sensor Model unter Berücksichtigung von nur einem Versatzfehler ε kann folglich geschrieben werden als:
Der Versatzfehler ε kann ferner moduliert werden durch:
Bevorzugt wird/werden aus dem abgeschätzten Rotorwinkelfehler der tatsächliche Rotorwinkel und/oder die tatsächliche Winkelgeschwindigkeit und/oder die tatsächliche Winkelbeschleunigung abgeleitet.The actual rotor angle and/or the actual angular velocity and/or the actual angular acceleration is/are preferably derived from the estimated rotor angle error.
Insbesondere durch Berücksichtigung eines geschätzten Rotorwinkelfehlers können der Rotorwinkel α, die Winkelgeschwindigkeit α' und die Winkelbeschleunigung α'' zutreffend bestimmt werden. Insbesondere umfasst das vorgeschlagene Verfahren die Berücksichtigung impliziter Funktionen, also impliziter Abhängigkeiten, so dass zutreffende Werte bezüglich α, α' und α'' ermittelbar sind.In particular, by considering an estimated rotor angle error, the rotor angle α, the angular velocity α′ and the angular acceleration α″ can be appropriately determined. In particular, the proposed method includes taking into account implicit functions, ie implicit dependencies, so that applicable values with regard to α, α′ and α″ can be determined.
Bevorzugt wird der abgeschätzte Rotorwinkelfehler aus einem früheren Verfahrensschritt oder aus demselben Verfahrensschritt zum Berechnen des zu erwartenden Rotorwinkels aus dem empfangenen Winkelsignal unter Berücksichtigung des abgeschätzten Stromfehlers und/oder des Versatzfehlers verwendet.The estimated rotor angle error from an earlier method step or is preferred from the same method step for calculating the rotor angle to be expected from the received angle signal, taking into account the estimated current error and/or the offset error.
Das vorgeschlagene Verfahren, welches insbesondere während des Betriebes der elektrischen Maschine ausgeführt wird, umfasst bevorzugt mindestens eine Schleife, in der ein bereits abgeschätzter Rotorwinkel zur fortlaufenden Abschätzung des zu erwartenden Rotorwinkels als ein Wert, insbesondere als ein Startwert, verwendet wird. Insbesondere bei zyklischen Abhängigkeiten in dem vorgeschlagenen Verfahren, welches bevorzugt als ein Algorithmus ausgebildet ist, wird der abgeschätzte Rotorwinkelfehler aus einem früheren Verfahrensschritt verwendet, um den zu erwartenden Rotorwinkel aus dem neu empfangenen Winkelsignal zu berechnen. Das Zurückgreifen auf abgeschätzte Rotorwinkelfehler aus einem früheren Verfahrensschritt ist insbesondere von der Implementierung abhängig und führt zu einer schnelleren Konvergenz des vorgeschlagenen Verfahrens.The proposed method, which is carried out in particular during operation of the electrical machine, preferably comprises at least one loop in which an already estimated rotor angle is used as a value, in particular as a starting value, for the continuous estimation of the rotor angle to be expected. Particularly in the case of cyclic dependencies in the proposed method, which is preferably designed as an algorithm, the estimated rotor angle error from an earlier method step is used to calculate the rotor angle to be expected from the newly received angle signal. The use of estimated rotor angle errors from an earlier method step depends in particular on the implementation and leads to faster convergence of the proposed method.
Erfindungsgemäß wird/werden zum Berechnen eines zu erwartenden Rotorwinkels ferner ein Amplitudenfehler und/oder ein Offsetfehler berücksichtigt, insbesondere dem Berechnungsprogramm übergeben.According to the invention, an amplitude error and/or an offset error is/are also taken into account for calculating a rotor angle to be expected, in particular transferred to the calculation program.
Die Abschätzung eines Amplitudenfehlers und eines Offsetfehlers kann beispielsweise durch folgende Annahme abgeschätzt werden.
Eine Abweichung der Parameter beeinflusst die Differenz zwischen den abgeschätzten und den gemessenen Sensorsignalen in folgender Weise:
Bevorzugt wird zum Bestimmen des Rotorwinkelfehlers mindestens ein Beobachter verwendet, welcher aus bekannten Eingangsgrößen, insbesondere Störgrößen, und Ausgangsgrößen, insbesondere Messgrößen, eines beobachteten Systems nicht messbare Größen rekonstruiert.At least one observer is preferably used to determine the rotor angle error, which observer reconstructs non-measurable variables from known input variables, in particular disturbance variables, and output variables, in particular measured variables, of an observed system.
Unter dem Begriff Beobachter ist in der Regelungstechnik ein System zu verstehen, welches aus bekannten Eingangsgrößen, wie beispielsweise Stellgrößen oder messbaren Störgrößen, und Ausgangsgrößen, wie beispielsweise Messgrößen wie dem Winkelsensorsignal, eines beobachteten Referenzsystems nicht messbare Größen bestimmt. Hierbei bildet der Beobachter das beobachtete Referenzsystem als ein Modell nach und führt mit einem Regler die messbaren, und deshalb mit dem Referenzsystem vergleichbaren, Messgrößen nach. Hierdurch kann vermieden werden, dass ein Modell, insbesondere bei Referenzsystemen mit integrierendem Verhalten, einen über die Zeit wachsenden Fehler generiert. Ein Beobachter kann insbesondere dann strukturiert bzw. aufgestellt werden, wenn das Referenzsystem über die vorhandenen Messgrößen beobachtbar ist. Daher ist die Feststellung der Beobachtbarkeit anhand von Kriterien notwendige Voraussetzung für die Anwendung eines Beobachters. Eingesetzt werden Beobachter in der Messtechnik als Ersatz für technisch nicht mögliche Messungen wie beispielsweise in elektrischen Maschinen.In control engineering, the term observer means a system that determines non-measurable variables from known input variables, such as manipulated variables or measurable disturbance variables, and output variables, such as measured variables such as the angle sensor signal, of an observed reference system. Here, the observer reproduces the observed reference system as a model and uses a controller to track the measurable, and therefore comparable with the reference system, measured variables. This can prevent a model from generating an error that grows over time, particularly in the case of reference systems with integrating behavior. An observer can be structured or set up in particular if the reference system can be observed using the available measured variables. Therefore, establishing observability using criteria is a necessary prerequisite for using an observer. Observers are used in measurement technology as a substitute for technically impossible measurements, such as in electrical machines.
Besonders bevorzugt wird als Beobachter ein Luenberger-Beobachter oder ein Kalman-Filter verwendet.A Luenberger observer or a Kalman filter is particularly preferably used as the observer.
Der Kalman-Filter ist ein eng verwandte Alternative zu dem Luenberger- Beobachter. Der Luenberger- Beobachter verstärkt den Fehler konstant, also den Unterschied zwischen den geschätzten und gemessenen Sensorwerten. Die Theorie hinter einem Luenberger-Beobachter beruht auf einer Parallelschaltung des Beobachters zu einem Regelstreckenmodell. Dabei wird die Differenz zwischen dem Sensormesswert der Strecke, also dem empfangenen Winkelmesswert α, und einem
„Messwert“ des Beobachters, also einem Schätzwert des Winkels α̃, auf das Modell zurückgeführt. Damit kann der Beobachter auf Störungen beziehungsweise eigene Ungenauigkeiten reagieren. Ein Vorteil des Luenberger- Beobachters liegt darin, dass der Luenberger-Beobachter auf eigene Ungenauigkeiten reagieren kann. Der Kalman-Filter berechnet in jedem Schritt eine neue Verstärkung auf Basis von Annahmen über das Rauschen der Sensoren. Diese Berechnung beinhaltet auch eine Matrix-Invertierung. Damit benötigt der Kalman-Filter mehr Wissen über das System, insbesondere über die Rauschgrößen, und tendenziell mehr Rechenleistung für die Matrix-Invertierung. Der Vorteil bei Verwendung des Kalman-Filters kann sein, dass der Schätzwert schneller gegen den wahren Wert konvertiert.The Kalman filter is a closely related alternative to the Luenberger observer. The Luenberger observer constantly amplifies the error, i.e. the difference between the estimated and measured sensor values. The theory behind a Luenberger observer is based on a parallel connection of the observer to a controlled system model. The difference between the sensor reading of the route, i.e. the received angle reading α, and a
"measured value" of the observer, i.e. an estimated value of the angle α̃, traced back to the model. This allows the observer to react to disturbances or their own inaccuracies. An advantage of the Luenberger observer is that the Luenberger observer can react to its own inaccuracies. In each step, the Kalman filter calculates a new gain based on assumptions about the noise of the sensors. This calculation also includes a matrix inversion. The Kalman filter thus requires more knowledge about the system, especially about the noise quantities, and tends to require more computing power for the matrix inversion. The advantage of using the Kalman filter can be that the estimated value converts to the true value more quickly.
Bevorzugt wird zum Abschätzen des Stromfehlers ein Fehler aus jeder von drei Strom-Phasen der elektrischen Maschine berücksichtigt.An error from each of three current phases of the electrical machine is preferably taken into account for estimating the current error.
Ferner wird in einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens angenommen, dass sich die Fehler aus den drei Strom-Phasen zu einem Fehler aufsummieren. Hierdurch kann ein Stromfehler dem benutzten Beobachter übergeben werden.Furthermore, in one embodiment of the proposed method, it is assumed that the errors from the three current phases add up to an error. In this way, a current error can be passed on to the observer used.
Bevorzugt wird zum Abschätzen des Versatzfehlers eine Differenz aus den stromfehlerbehafteten empfangenen Winkelsignalen berechnet.To estimate the offset error, a difference is preferably calculated from the received angle signals with current errors.
Eine solche Berechnung kann mit den bereits hierin beschriebenen Gleichungen durchgeführt werden.Such a calculation can be performed using the equations already described herein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Mikrokontroller zur Berechnung von Störungen eines gemessenen Winkelsignals eines magnetischen Winkelsensors einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, wobei der Mikrokontroller dazu ausgebildet ist, das gemessene Winkelsignal zu empfangen und ein Verfahren wie hierin beschrieben auszuführen.According to a further aspect of the present invention, a microcontroller is proposed for calculating disturbances in a measured angle signal of a magnetic angle sensor of an electrical machine, the microcontroller being designed to receive the measured angle signal and to carry out a method as described herein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Maschine mit einem magnetischen Winkelsensor und mit einem hierin beschriebenen Mikrocontroller vorgeschlagen, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und einen an dem Rotor angeordneten Magneten aufweist.According to a further aspect of the present invention, an electrical machine with a magnetic angle sensor and with a microcontroller described herein is proposed, the electrical machine having a rotor and a magnet arranged on the rotor.
Hierbei, induziert der an dem Rotor angeordnete Magnet durch die Bewegung des Rotors ein messbares Magnetfeld in dem Winkelsensor. Der Winkelsensor weist bevorzugt eine Permalloy-Legierung oder dergleichen auf, in welcher jedenfalls ein Widerstand in Abhängigkeit eines sich verändernden induzierten Magnetfeldes messbar ist. An dem Rotor ist ferner ein Permanentmagnet angeordnet, welcher bei Bewegung des Rotors das Magnetfeld in dem Winkelsensor induziert.Here, the magnet arranged on the rotor induces a measurable magnetic field in the angle sensor due to the movement of the rotor. The angle sensor preferably has a permalloy alloy or the like, in which a resistance can be measured as a function of a changing induced magnetic field. A permanent magnet is also arranged on the rotor, which induces the magnetic field in the angle sensor when the rotor moves.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das, wenn es auf einem Prozessor ausgeführt wird, den Prozessor veranlasst, ein hierin beschriebenes Verfahren auszuführen.According to a further aspect of the present invention, a computer program product is proposed which, when executed on a processor, causes the processor to execute a method described herein.
Die hierin beschriebene Erfindung ist vor Allem bei elektrischen Maschinen aller Art einsetzbar, bei denen eine Positionsmessung des Rotors unter Berücksichtigung erzeugter magnetischer Felder erfolgt. Wie hierin beschrieben wird die Winkelaufbereitung sowie die Kompensation typischer Fehler wie Offsetfehler und/oder Amplitudenfehler der Sinus- und Cosinussignale sowie Fehlstellungen zwischen Sensor und Magnet und die Kompensation der durch die Ströme hervorgerufene Störfelder durch Beobachter, insbesondere durch ein Luenberger-Beobachter oder durch ein Kalman-Filter, realisiert.The invention described herein can be used above all in electrical machines of all types in which the position of the rotor is measured taking into account generated magnetic fields. As described here, the angle processing and the compensation of typical errors such as offset errors and/or amplitude errors of the sine and cosine signals as well as misalignments between the sensor and magnet and the compensation of the interference fields caused by the currents are performed by observers, in particular by a Luenberger observer or by a Kalman -Filter, realized.
Besonders von Vorteil bei den hierin beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens ist, dass das Verfahren bzw. die verschiedenen Ausführungsformen des Verfahrens keinen Parametrisierungsaufwand bedürfen. Ferner bedarf es keiner magnetischen Abschirmung, welche in der Regel teuer ist. Das beschriebene Verfahren ist somit einfacher und kostengünstiger. Insbesondere ist das vorgeschlagene Verfahren selbstlernend, d.h. im Laufe der Anwendung des Verfahrens werden durch das Verfahren immer schneller zutreffendere Fehlerwerte der verschiedenen Arten abgeschätzt.A particular advantage of the embodiments of the method described herein is that the method or the various embodiments of the method do not require any outlay on parameterization. Furthermore, there is no need for magnetic shielding, which is usually expensive. The method described is therefore simpler and cheaper. In particular, the proposed method is self-learning, i.e. in the course of the application of the method, more and more accurate error values of the different types are estimated by the method.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es versteht sich, dass einzelne in den jeweiligen Figuren gezeigte Ausführungsformen Merkmale aufweisen können, die auch in anderen Ausführungsformen zum Einsatz gelangen können, auch wenn dies nicht explizit genannt ist, und sofern dies nicht aufgrund technischer Gegebenheiten oder explizit ausgeschlossen wurde. Es zeigen:Further advantages and features of the present invention result from the following description of preferred embodiments with reference to the attached figures. It goes without saying that individual embodiments shown in the respective figures can have features that can also be used in other embodiments, even if this is not explicitly mentioned and unless this was explicitly excluded due to technical circumstances. Show it:
Die Figuren zeigen:
-
1 eine Anordnung eines Sensors und eines Permanentmagneten an einem Rotor einer elektrischen Maschine, -
2 eine schematische Darstellung des magnetoresistiven Effekts in Permalloy, -
3 schematische Darstellung der Struktur eines Beobachters, -
4 schematische Darstellung eines typischen Stromfehlers, -
5 Schema eines Offset- und Amplituden-Beobachters, -
6 Messergebnisse des Versatzfehlers unter Verwendung einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens, -
7 Schema eines Versatzfehler-Beobachters, -
8 Schema eines Stromfehler-Beobachters, -
9 schematische Darstellung der Struktur des vorgeschlagenen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, -
10 Messergebnisse, welche mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erhalten wurden, und -
11 Messergebnisse, welche mit dem vorgeschlagenen Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erhalten wurden
-
1 an arrangement of a sensor and a permanent magnet on a rotor of an electrical machine, -
2 a schematic representation of the magnetoresistive effect in permalloy, -
3 schematic representation of the structure of an observer, -
4 schematic representation of a typical current error, -
5 Scheme of an offset and amplitude observer, -
6 Measurement results of the offset error using an embodiment of the proposed method, -
7 scheme of an offset error observer, -
8th Schematic of a current error observer, -
9 schematic representation of the structure of the proposed method according to a preferred embodiment, -
10 Measurement results obtained using a method known from the prior art, and -
11 Measurement results obtained with the proposed method according to a preferred embodiment
Weitere Vorteile beliebter Ausführungsformen werden in Zusammenschau der nachfolgenden
Der magnetische Winkelsensor 12 weist bevorzugt eine Legierung auf, in welcher sich der messbare Widerstand in Form einer Magnetisierung M in Abhängigkeit einer Richtung eines Magnetfeldes H verändert. Dieser Effekt ist als magnetoresistiver Effekt bekannt. Eine solche Legierung kann beispielsweise eine Permalloy-Legierung sein. Eine Permalloy-Legierung weist bevorzugt bis zu 80% Gewichtsanteil Nickel und bis zu 20% Gewichtsanteil Eisen auf.
Der Einfluss des Offsetfehlers ist in der Regel gleich, während der Einfluss des Amplitudenfehlers sich mit dem Winkel α ändert. Hierdurch kann zwischen dem Fehler, welcher den Offset umfasst, und dem Fehler, welcher den Amplitudenfehler umfasst, unterschieden werden.The influence of the offset error is usually the same, while the influence of the amplitude error changes with the angle α. In this way, a distinction can be made between the error, which includes the offset, and the error, which includes the amplitude error.
Im Unterschied zu den
Mit dem erfassten Strom jeder Phase können die Parameter pxn,pyn,n= 1,2,3, entsprechend adaptiert werden, wie dieses schematisch in
Die
Die Kurven 40 zeigen in den
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- elektrische Maschineelectric machine
- 1212
- magnetischer Winkelsensormagnetic angle sensor
- 1414
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 1616
- Rotorrotor
- 1717
- Substratsubstrate
- 1818
- Rotorachserotor axis
- 2020
- Bewegung des Rotorsmovement of the rotor
- 2121
- Legierungalloy
- 22, 2422, 24
- Potentialdifferenz potential difference
- II
- StromElectricity
- HH
- Magnetfeldmagnetic field
- MM
- Magnetisierungmagnetization
- αa
- Rotorwinkelrotor angle
- α'α'
- Winkelgeschwindigkeitangular velocity
- α''α''
- Winkelbeschleunigung angular acceleration
- 2929
- SchrittStep
- 3030
- Schritt RotorwinkelfehlerberechnungStep rotor angle error calculation
- 3232
- Schritt RotorzustandsbeobachterStep rotor condition observer
- 3434
- Sensormodelsensor model
- 3636
- Schleife Ribbon
- 4040
- gemessene Kurvemeasured curve
- 4242
- berechnete Kurvecalculated curve
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